陕北黄土区人工林地土壤水分的垂直变化规律

王瑜， 朱清科， 赵维军， 王利娜， 马欢， 梁非凡， 赵兴凯， 李安怡

(1.北京林业大学 林业生态工程教育部工程研究中心，100083，北京；2.山东省泰山学院 山东省高校旅游与资源环境

重点实验室，271021，山东泰安；3.北京沃尔德防灾绿化技术有限公司，100048，北京)



陕北黄土区人工林地土壤水分的垂直变化规律

王瑜， 朱清科1†， 赵维军2， 王利娜1， 马欢1， 梁非凡1， 赵兴凯1， 李安怡3

(1.北京林业大学 林业生态工程教育部工程研究中心，100083，北京；2.山东省泰山学院 山东省高校旅游与资源环境

重点实验室，271021，山东泰安；3.北京沃尔德防灾绿化技术有限公司，100048，北京)

摘要：不同林地类型土壤水分的垂直变化规律在一定程度上反映了林分消耗土壤水分及其稳定性的特征。选取陕北黄土区3种典型人工林地—油松林、山杏林和沙棘林下土壤水分为研究对象，选取荒草地为对照组，分析研究其土壤水分在0～180 cm土层内的垂直分布规律及剖面垂直分层特点。结果表明：人工油松林地及山杏林地土壤含水量随土层深度的增加呈逐渐减少趋势，减小速率分别是0.019 3、0.020 9%/cm，人工沙棘林地及荒草地土壤含水量随土层深度的增加呈逐渐增加趋势，增加速率分别为0.004 6、0.086 3%/cm；根据变异系数法，土壤水分垂直剖面可分为速变层、活跃层和次活跃层3个层次，分层结果与使用有序聚类法分类的结果较为一致。

关键词：人工林； 土壤水分； 垂直变化； 黄土区

项目名称： 林业公益性行业科研专项“黄土丘陵严重侵蚀区植被恢复和重建技术研究” (201104002-2)

半干旱黄土区生态环境脆弱，降水资源先天不足且分布不均，土壤水分经常处于亏缺状态。土壤水分是制约当地植被生长、恢复及影响当地林分稳定性的主要因子之一[1-2]。在特定的地形、土地利用方式及植被条件下，受降水、地面径流、植物蒸腾及根系吸收等作用的影响，土壤水分会存在明显的时空变化特征[3]。目前，国内外对于土壤水分与土层深度的量化关系的研究报道比较少见。李洪建等[4]和邱扬等[5]通过对土壤水分垂直分布特点进行研究，发现土壤水分及其变异系数随土层深度增加呈逐渐减少的规律。土壤水分剖面分层应用较为广泛的方法是经验法和变异系数法：李代琼等[6]和阮成江等[7]通过经验法，将土壤水分的垂直分布自上而下分为根系微弱利用层、根系利用层、补充调节层和微弱调节层；王孟本等[8]等通过变异系数法，将土层分为速变层、活跃层、次活跃层和相对稳定层。这些方法的划分界限受主观影响较大，缺乏严密的数学理论解释。有序聚类法可在一定程度上减少主观因素的影响，且其可运用于土壤水分垂直剖面的划分中[9-10]。

本文采用回归分析法对土壤水分与土层深度的量化关系作了进一步研究，分别选取以陕北黄土区吴起县人工油松(Pinustabuliformis)林、山杏(Armeniacasibirica)林、沙棘(Hippophaerhamnoides)林为代表的典型阔叶林、针叶林、灌木林为研究对象，运用有序聚类法对陕北黄土区3种典型人工林地及荒草地土壤水分剖面进行了划分，以期得到林下土壤水分在垂直方向上的变化规律，为指导该区合理营造人工林提供理论依据。

1研究区概况

研究区位于陕西省吴起县(E 107°38′57″～108°32′49″，N 36°33′33″～37°24′27″)，属于典型的黄土高原丘陵沟壑区，海拔1 233～1 809 m，总面积3 791.5 km2，水土流失面积3 702.2 km2。该地区属暖温带大陆性干旱季风气候，多年平均气温7.8 ℃，无霜期96～146 d，多年平均降水量478.3 mm，年际变化大且时空分配不均，雨季(7—9月)降雨量可占全年降水量的50%～80%，属半干旱地区。土壤类型为黄绵土，质地为轻壤。植被类型为森林草原向草原过渡类型。主要乔木种有油松、侧柏(Platycladusorientalis)、山杏、刺槐(Robiniapseudoacacia)、小叶杨(Populussimonii)等，主要灌木种有柠条(Caraganaintermedia)、沙棘等，主要草本物种有铁杆蒿(Artemisiagmelinii) 、茭蒿(Artemisiagiralaii) 、长芒草(Stipabungeana) 、达乌里胡枝子(Lespidezadavurica)等。

2数据获取及研究方法

2.1实验设计

以油松林、山杏林、沙棘林3类典型的人工林种为研究对象，选取整地方式、植物盖度及坡向等立地条件一致的样点作为监测点(表1)，并选取与监测点立地条件一致的荒草地作为对照样点。监测点垂直埋设长度为2 m的PVC管，采用时域反射计(TRIME-HD)手持式读表高精度TDR定点监测，每20 cm深度1层，每层重复测定3次取平均值，每次重复探针在水平方向上旋转120°。观测了2010年8月至2013年6月各监测点0～180 cm土层范围内的土壤水分状况。在测定时间段内，每月月中及月末各测定1次，为避免降水对土壤含水量的影响，每次观测时保证连续3日内无明显降水，监测时段共计35个月，监测样本共计70组。

表1　各监测点基本情况(2010—2013年)

2.2有序聚类法

有序聚类法是聚类分析方法的一种，其与系统聚类法和逐步聚类法的主要区别在于：分类结果不会打乱样本次序[11-12]。本文使用有序聚类法中的最优分割法，使各段样品之间的差异最大，而各段样品内部的差异最小[3]。笔者为反映研究区内土壤含水量在8个土层的变化情况，将土壤水分层的深度为排序轴，用DPS软件中的有序聚类分析按照土壤水分含量进行聚类，使聚类结果保持深度上的排序。

2.3数据处理

本文使用SPSS 17.0及Excel 2010软件对不同人工林及荒草地各深度土壤含水量进行描述性统计分析，用Origin 8.0对不同人工林地土壤水分垂直分布特征、土壤水分含量与土层深度的关系、土壤水分聚类分析碎石图进行绘制，使用DPS v7.05软件对土壤水分进行有序聚类分析。

3结果与分析

3.1土壤水分垂直分布规律

分别对观测期间不同人工林地及荒草地土壤含水量体积分数及变异系数进行分析(图1)。从土壤含水量垂直变化(图1(a))可以看出，荒草地0～170 cm土层土壤含水量及其变化范围较3种人工林地大。荒草地0～170 cm土层土壤含水量变化范围为11.38%～23.36%，而油松林、山杏林、沙棘林3种人工林下土壤含水量的变化范围分别为11.98%～14.71%、9.60%～13.29%、11.91%～13.65%。在垂直方向上，油松林地及山杏林地土壤含水量随土层深度增加呈递减趋势；人工沙棘林地土壤含水量呈“S”型分布，其土壤水分最低值、最高值分别出现在20～40、100～120 cm土层；荒草地土壤含水量在20～60 cm土层随土层深度增加呈递减趋势，而在60～170 cm随土层深度增加呈递增趋势。

图1　不同人工林地土壤水分垂直分布特征Fig.1　Vertical distribution of soil moisture in different artificial forests

从图1(b)可以看出，3种人工林地及荒草地下，土壤水分变异系数均随土层深度增加总体呈递减趋势。说明表层土壤含水量变化活跃，水分交换较多，深层土壤含水量变化缓慢，水分交换较少。其中：油松林地土壤水分变异系数随土层深度增加呈逐渐降低趋势；而山杏林地60～160 cm土层的土壤水分变异系数呈逐渐增大趋势；沙棘林地及荒草地下土壤水分变异系数在0～60 cm土层随土层深度增加呈逐渐增加趋势，在60～160 cm土层呈逐渐降低趋势。

3.2土壤含水量垂直变化趋势

为了进一步探究土壤含水量随土层的变化趋势，采用各人工林地土壤含水量与土层深度进行回归分析(图2)。

图2　土壤水分含量与土层深度的关系Fig.2　Relationship of soil moisture content y (%) and soil depth x (cm)

结果表明，油松林地及山杏林地土壤含水量与土层深度呈显著负相关关系，即土壤含水量随土层深度的增加呈逐渐减少趋势。二者的减小速率分别是0.019 3和0.020 9%/cm，且相关程度较高，其中，油松林地土壤含水量与土层深度的相关程度(R2=0.941 5)高于山杏林地的相关程度(R2=0.743 4)，说明油松林地土壤水分随土层深度的变化趋势较显著。沙棘林地及荒草地土壤含水量与土层深度呈正相关关系，即土壤含水量随土层深度的增加呈逐渐增加趋势。二者的增加速率分别为0.004 6及0.086 3%/cm，其中，荒草地土壤含水量与土层深度相关程度较高(R2=0.843 6)，说明荒草地土壤水分随土层深度的增加趋势较显著；而沙棘林的相关程度较低(R2=0.026 6)，说明沙棘林地土壤水分随土层深度的增加趋势不明显。

3.3土壤水分垂直分层

3.3.1变异系数法分层根据陈洪松等[13]对土壤水分垂直变化的层次的划分标准——土壤水分变异系数30%以上为速变层，介于20%～30%之间为活跃层，介于10%～20%之间为次活跃层，介于0～10%之间为相对稳定层。使用目前广泛应用的变异系数法对荒草地及不同人工林地0～180 cm土层进行分层(表2)。结果表明，随土层深度的增加，荒草地及3种人工林地土壤水分变异系数呈逐渐减小，土层从上至下依次可划分为速变层、活跃层和次活跃层3个层次。

表2　土壤水分剖面垂直分层

注：FCL为速变层；AL为活跃层；SL为次活跃层。Note: FCL fast chamging layer; AL: active layer; SL: sub-active layer.

3.3.2有序聚类法分层不同人工林及荒草地下0～180 cm土层土壤水分观测值，构成向量有序样品x(1)，x(2)，x(3)，…，x(9)；其中1，2，3，…，9为0～20，20～40，40～60，…，0～180 cm土层的编号。使用DPS软件对各测点0～180 cm土层进行有序聚类分层。如表3所示，在0～180 cm土层范围内，土壤剖面水分垂直变化可分为2～9类的结果，且随着分类数的增加，误差函数依次减小；因此，确定各测点土壤水分的最优分类数是聚类分析的关键。

表3　土壤水分的有序聚类结果

本文利用碎石图确定最优分类数：分别以油松林、山杏林、沙棘林及荒草地误差函数为y轴、分类数为x轴作碎石图(图3)。结果表明，各人工林及荒草地的误差函数与分类数的拟合关系均呈指数分布规律，且决定系数较大，分别为0. 985 1、0.998 3、0.993 8和0.998 8。由图3可以看出，分别当油松林、山杏林、沙棘林及荒草地土层土壤水分的分类数为3、3、4、3时，各分类间的误差函数差异较小；因此，油松林、山杏林、沙棘林及荒草地土层土壤水分的最优分类数分别为3、3、4、3。

结果表明，利用有序聚类法对油松林、山杏林、沙棘林及荒草地0～180 cm土层土壤水分垂直分层的结果与用变异系数法进行分层的结果较为一致，从而说明利用有序聚类法对土壤水分剖面进行分层的方法是合理的。这与前人的研究结果[3]一致。

4讨论

人工油松林地下0～180 cm土层土壤水含量自上而下呈显著减少的趋势，减小速率为0.019 3%/cm，80 cm以下土层土壤含水量较低，可能是人工油松林消耗80 cm以下土层土壤水分较多。相关研究表明，半干旱黄土丘陵区油松林地土壤含水量自上而下呈逐渐减少趋势[14]，尤其是100 cm以下土层土壤水分亏损严重[15]。人工山杏林地0～180 cm土层土壤水含量自上而下呈显著减少的趋势，减小速率为0.020 9%/cm，100 cm以下土层土壤含水量急剧下降，在180 cm处降至9.6%，人工山杏林林分稳定性可能会减弱。张益望等[16]认为人工山杏林地土壤含水量自上而下呈逐渐减少趋势，杏树林地土壤水分亏损严重[17]。本研究发现人工沙棘林地0～180 cm土层土壤含水量呈“S”型分布，土壤水分随土层深度的增加趋势不明显。这与从心海等[18]的研究结果相似。

油松林、山杏林、沙棘林下，土壤水分变异系数随土壤深度的加深总体呈减少趋势，这和前人的研究结果一致[19-20]。这主要是因为表层土壤受降雨、地表蒸发、植物蒸腾和植物根系吸收等因素对土壤水分的影响较大，而深层土壤水分入渗较少，植物根系分布较少。其中，山杏林地60～160 cm土层的土壤水分变异系数呈缓慢增加的趋势，而此层的土壤水分呈逐渐减少的趋势，这可能与山杏根系的分布及土壤中各孔径分布的变异性有关[21]。沙棘林地下土壤水分变异系数在0～60 cm土层随土层深度增加呈逐渐增加趋势，而在60～160 cm土层呈逐渐降低趋势。这可能是由于0～60 cm土层中沙棘根系分布较多[18]，对土壤水分影响较大。

有序聚类法数学理论严密，能在很大程度上减少主观因素的影响。本文使用有序聚类法及变异系数法对3种不同人工林地及荒草地0～180 cm土层土壤水分剖面进行垂直分层，结果显示有序聚类法进行分层的结果与变异系数法的分层结果基本一致，说明有序聚类法可用于对土壤水分的分层研究，这与前人的研究结果[3,9]基本一致。

5结论

1)研究区油松林及山杏林林地0～180 cm土层土壤含水量随土层深度加深呈递减趋势，且其80 cm以下土层土壤含水量远小于相同条件下荒草地土壤含水量，油松林及山杏林可能对80 cm以下土层土壤水分消耗较大，在该区栽植密度为1 600株/hm2的油松及山杏林是否会破坏当地土壤水分稳定性有待进一步研究。该区沙棘林地0～180 cm土层土壤含水量随土层深度的增加呈不显著递增趋势，但其80 cm以下土层土壤含水量也远小于荒草地下土壤含水量，沙棘林是否会消耗陕北黄土区80 cm以下土层土壤水分有待进一步研究。

2)研究区油松林、山杏林、沙棘林及荒草地下，土壤水分变异系数均随土层深度增加呈递减趋势。使用变异系数法可将不同人工林及荒草地下0～180 cm土层划分为速变层、活跃层和次活跃层3个层次。利用有序聚类法对3种人工林及荒草地下0～180 cm层土壤水分进行垂直分层，其结果与用变异系数法进行分层的结果较为一致，将该区0～180 cm土层划分为3个层次较合理。

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(责任编辑：程云郭雪芳)

Vertical distribution of soil moisture in artificial forests

in loess region of northern Shaanxi

Wang Yu1, Zhu Qingke1, Zhao Weijun2, Wang Lina1, Ma Huan1, Liang Feifan1, Zhao Xingkai1,Li Anyi3

(1.Engineering Research Center of Forestry Ecological Engineering of Ministry of Education，Beijing Forestry University，100083，Beijing，China; 2.Key

Laboratory of Tourism and Resources Environment in Colleges and Universities of Shandong Province, Taishan University, 271021, Taian,

China; 3.Beijing World Hazard Preventing Tech. Co., Ltd, 100048, Beijing, China)

Abstract:Soil moisture is one of the main factors that restrict vegetation growth, vegetation restoration and stand stability on the Loess Plateau in northern Shaanxi province.It also shows obvious temporal-spatial characteristics under different land use types, topography and geomorphology, and vegetation conditions due to the effects of rainfall, surface runoff, plant transpiration, root absorption and so on. The vertical distribution of soil moisture in artificial forests reflects the characteristics of soil water consumption and stability of forest lands. Thus, the study of soil moisture in vertical profiles is important for understanding the utilization of soil moisture in artificial forests. The aim of this study was to investigate the distribution and the hierarchical characteristics of soil moisture at the 0-180 cm layer in vertical profiles. In order to analyze it,three types of typical artificial forests on the Loess Plateau in northern Shaanxi province,namely Pinus tabulaeformis, Armeniaca sibirica and Hippophae rhamnoides, were selected as the research object. Meanwhile, waste grassland in the same stand conditions was used as a reference group. The time domain reflection (TDR) was chosen to measure the soil moisture between 0 cm and 180 cm in vertical profiles. During the period from August 2010 to June 2013, the soil moisture contents were measured 3 times in every 20 cm layer.Moreover, in each observation, the probe of TDR was rotated 120° in horizontal direction. The sequential clustering method and the variation coefficient method were combined in this study in order to classify the soil layer by moisture. Results show that the soil moisture contents of Pinus tabulaeformis and Armeniaca sibirica forests were decreased respectively by 0.019 3%/cm and 0.020 9%/cm with increasing soil depth (0-180 cm), while the soil moisture contents of Hippophaer hamnoides forest and waste grassland were increased with the rate of 0.004 6%/cm and 0.086 3%/cm, respectively. Nevertheless, the soil moisture contents of the three types of artificial forests were all less than those of waste grassland between 80 cm and 180 cm in vertical profiles. Thus, studies should pay more attention to soil moisture below the 80cm soil layer in the Loess Plateau of northern Shaanxi province and determining whether it will be absorbed by the root system of the three kinds of artificial forests. Using variation coefficient method, our observation also suggests the soil layers in 0-180 cm vertical profiles can be divided into three groups, which are quickly changing layer, active layer and sub-active water layer. Moreover, the soil layers can also be divided into three groups using sequential clustering method. And the grouping result is comparatively consistent with that by variation coefficient method and by sequential clustering method. Thus, the sequential clustering method is likely to be reasonable when used in classification of soil layer. The result of this research wouldprovide basic theory for selecting species in near-natural afforestation.

Keywords:plantation; soil moisture; vertical variation; Loess Plateau

通信作者†简介： 朱清科(1956—)，男，教授，博士(后)，博士生导师。主要研究方向: 林业生态工程学与水土保持学。E-mail:zhuqingke@sohu.com

作者简介：第一 王瑜(1989—)，女，硕士研究生。主要研究方向：林业生态工程学。E-mail:wangyu0427@sohu.com

收稿日期：2015-04-07修回日期： 2015-10-30

中图分类号：S152.7+2

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2015)06-0054-07